蜂巢式網路助攻　智慧路燈打造節能城市

早在公元前500年，北京就有「固定位置照明」的記載，倫敦和阿姆斯特丹也在16世紀引入公共街道照明。巴黎則是大規模普及街道照明的典範，首先是法國國王路易十五在18世紀中葉將油燈引入城市；隨後，在1818年引入了大規模的煤氣照明，1878年又引入了電力照明^[1]。從那時起，公共街道照明成為每個城市必不可少的基礎設施。

早在巴黎公共事業工程師設置公共照明的時候，路燈的作用就是讓人們更安全、更方便地在漆黑的城市道路上行駛或行走，直到今日也是如此。除此之外，當局還希望最大限度地發揮這些街道隨處可見設施的潛力，將其作為智慧城市的基石。利用為廣泛存在的路燈基礎設施增加連接和運算能力，路燈可以提供智慧功能，而不僅僅是照明。

智慧路燈的優勢

智慧照明公司Signify報告指出，使用節能型LED燈取代傳統街燈照明是減少能源消耗和相關排放的有效方法。僅將傳統公共照明燈換成LED燈就能減少50%的能源消耗。如果這些公共照明燈結合連接性能和自動調光及路人檢測功能，節能效果最高可達到90%。

所謂的智慧路燈(Smart Pole)可以最佳化自身的功耗，並對產生照明的LED陣列工作狀態提供反饋。不僅如此，智慧路燈還能為具有邊緣處理性能的感測器提供平台。

每盞路燈都有可能安裝人行道監控和交通攝影機、空氣品質監測、天氣監測、洪水監測、訊息顯示、應急服務聯繫、公共廣播，甚至是Wi-Fi熱點和電動車(EV)充電裝置。

智慧路燈市場現狀

2022年Grand View Research對智慧路燈市場的估值已達到89億美元，預計從2023年到2030年，智慧路燈市場的年複合成長率(CAGR)將達到20.8%。分析機構ABI Research表示，預計到2030年，全球智慧路燈的數量將超過1,080萬支。

中國、韓國和印度等亞洲國家正在實施雄心勃勃的智慧路燈計畫。根據《中國日報》報導，到2020年底中國智慧路燈市場價值已達170億美元。在歐洲地區，歐盟的Humble Lamppost Project目標為升級歐盟各大城市的1,000萬支燈柱，以「啟動」智慧城市建設。根據歐盟估計，街道照明成本達到一個城市50%的能源支出，而透過在整個歐洲採用LED照明，可以節省19億歐元(20.7億美元)的能源。

在美國，維吉尼亞州漢普敦市於2021年宣布了一項「數位化轉型項目」，將以太陽能路燈取代街道照明裝置。這些路燈將提供充電接口和Wi-Fi存取，並配備安全攝影機。

ABI Research研究顯示，一些大品牌也開始涉足智慧路燈領域，相關技術的主要供應商包括Verizon、華為和諾基亞。

利用感測器提升城市智慧化

促進市場蓬勃發展的原因有很多，其中最重要的是智慧路燈帶來的節能效果，不僅能減少碳排放，還能為城市居民節省公共開支。

智慧路燈可以利用光感測器分析自然光照趨勢，在不浪費電力的情況下提供必要的照明。例如，夏季的太陽升起早、日落晚，這意味著路燈需要開啟的時間較短。有了光線自動檢測功能，路燈就能根據這些變化進行調整。在陰天或遮陽較多的地區，路燈則可以補償較低的光照水準，並透過提前開啟和延長開啟時間來提高安全性，甚至在一般白天時段也是如此。

在其他地方，智慧路燈可以實現預測性維護。燈桿的連接性能可以快速、頻繁地報告LED照明設備的總體運作狀況，例如照明輸出和能源消耗，這些訊息可用於提前預測故障，以此為依據派遣維護人員更換LED燈。除了帶來成本效益之外，預測性維護還能提高安全性，能夠確保城市中的各個區域不會陷入黑暗之中。

許多大城市的交通堵塞日益嚴重，監控空氣污染因此變得更加重要。智慧路燈可以利用感測器監測汽車廢氣中所排放出來的一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)和二氧化硫(SO2)。如此一來，政策制定者能夠了解哪些時間和地區經常出現空氣品質不佳的問題，並採取相應措施。

路燈照明的最初目的是為了提高普通民眾的安全，智慧路燈理所應當要進一步提高公眾福祉。透過安裝更多安全攝影鏡頭並監控街道交通，智慧路燈有助於保護個人安全。例如，利用聲音感測器，智慧路燈可以檢測到槍聲等重大事件，接著通知執法部門。

資料處理

現代連接解決方案配備了功能強大的微處理器、充足的記憶體和機器學習(ML)演算法，能夠在地分析感測器訊息，只將值得注意的訊息轉發到雲端，例如Nordic nRF91系列SiP、LTE-M/NB-IoT蜂巢式IoT和DECT NR+。藉由僅在必要時進行傳輸操作，蜂巢式物聯網設備可以降低功耗並節省資料費用。

舉例來說，智慧路燈可能會檢測到人行道上夜裡長時間沒有人流，因此不會發送任何資料。但是，如果突然發現有幾個人在不尋常的時間在路上快速奔跑，就可以將這些資料傳送給有關部門進行調查。又或者，智慧路燈檢測到一輛車在濕滑的路面上突然失控撞牆，智慧路燈將回報此類觸發不尋常資料流程的事件。

智慧城市中的無線技術

蜂巢式物聯網是連接智慧路燈的理想技術。例如，儘管路燈與市電相連，蜂巢式物聯網解決方案如nRF9160 SiP仍可透過小型電池長時間運行，更加輕鬆且方便地將連接性能加裝到傳統裝置上。蜂巢式物聯網也能提供「隨插即用」的連接、公里以上的傳輸距離和可靠的服務。此外，蜂巢式網路的基礎設施(尤其是在經常部署智慧路燈的大城市)幾乎無所不在，並具備成熟性和安全性，讓蜂巢式物聯網成為理想選擇。

透過將蜂巢式物聯網與LwM2M輕量級機器對機器(包含在Nordic的nRF Connect SDK中)等標準協定相結合，可以利用完全標準化的IPv6端到端解決方案來建構智慧城市。

蜂巢式網路的基礎設施日益普及，提供了將智慧路燈的優勢從城市引入城鎮和小型住宅區的機會，讓更多人能從這項技術中受益。結合低功耗藍牙通訊技術，每支燈桿都可以成為一個閘道，用於連接功耗極低的低功耗藍牙感測器。

除了蜂巢式物聯網技術之外，非蜂巢式5G技術的DECT NR+也將在街道照明應用中發揮重要作用。對於高密度地區或沒有蜂巢式網路覆蓋的地區，或者不想依賴行動網路業者(MNO)打造智慧城市的地區，現在可以使用支援DECT NR+的解決方案，如Nordic nRF9161，實現專用5G網路與燈桿互連，接著使用閘道提供與雲端的連接。

數百年來，路燈一直是人類城市的基本組成部分，不僅保障了人們的安全，也為人們的生活帶來了便利。藉由增加連接性(不論是NB-IoT、LTE-M、DECT NR+或低功耗藍牙技術)，既有的基礎設施便可為城市居民提供更多的服務，同時透過減少碳排放幫助人們應對氣候變化的挑戰。

(本文作者任職於Nordic Semiconductor)

參考資料

[1] https://bonjourparis.com/lifestyle/how-louis-xiv-switched-on-the-city-of-light/